FRP 鋼管混凝土構件抗沖擊性能仿真分析

陳 忱，趙穎華

(大連海事大學 道路與橋梁工程研究所，遼寧 大連 116026)

近年來我國乃至世界進入地震災害的頻發(fā)期，地震環(huán)境下工程結構不可避免的受到意外撞擊，其安全性成為首要關注對象。另一方面，隨著我國跨海橋梁、海底隧道以及高速鐵路、公路等大型基礎設施的興建，工程實際中普遍存在沖擊問題，如船舶因偏離航線對橋墩和海上鉆井平臺的撞擊、汽車和火車等交通工具對結構的意外碰撞、爆炸對地面以及地下結構的沖擊。鑒于此，以提高沖擊抗力為目標的新材料和新結構的研發(fā)需求日益迫切。

FRP－鋼管混凝土是在普通鋼管混凝土外壁粘貼纖維復合材料而制成，從而利用復合材料的諸多優(yōu)越性改善鋼管混凝土結構的力學性能。關于FRP鋼管混凝土結構的構想和最早的研究要追溯到上世紀末［1］，這階段的研究主要集中于CFRP－鋼管混凝土受壓構件的基本力學性能，以試驗測試為主要研究手段，分析CFRP的套箍作用對結構性能的改善效果［2－3］。此后研究工作逐步拓展，受彎和壓彎構件、扭轉性能都成為研究對象［4－5］。成果在靜力性能的研究基礎上，也涉及了抗震、防火等［6－7］。截至目前對鋼管混凝土構件的沖擊性能研究已經(jīng)展開［8－11］，然而對FRP鋼管混凝土抗沖擊性能的研究還未見報道。

本文應用有限元分析方法，以受側向沖擊作用的FRP鋼管混凝土為分析對象建立有限元模型，通過變化FRP種類、層數(shù)、包裹形式、鋼管厚度等因素，對在不同沖擊力作用下的結構力學響應進行仿真分析，通過比較相應的沖擊力和撓度時程曲線分析不同因素對構件沖擊抗力的影響。與普通鋼管混凝土結構相比，這種新型復合結構具有良好的抗沖擊性能，在橋梁等對于有抗震和抗沖擊要求的建筑結構領域具有廣闊的應用前景。

1 計算模型

模擬固簡支FRP鋼管混凝土構件在鋼球碰撞作用下的瞬態(tài)行為，沖擊部位為跨中，其模型示意圖如圖1所示。試件長度1 200 mm，鋼管的外直徑114 mm，壁厚取值范圍為1.0 mm至6.0 mm。FRP取 CFRP和GFRP兩種，取6種不同厚度，取值范圍為0.111 mm和0.666 mm。為計算簡單，忽略FRP、鋼管和混凝土界面之間的相對滑移，采用完全粘結的方式。沖擊鋼球的半徑為40 mm，通過改變其相對密度調節(jié)沖擊質量。

圖1 分析模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation model

鋼管、混凝土和FRP的本構關系模型分別定義為彈塑性、塑性損傷和彈性模型，具體材料參數(shù)如表1所示。計算模型的網(wǎng)格劃分采用具有很強靈活性的自由網(wǎng)格劃分技術，混凝土的單元類型為實體單元，為三維八節(jié)點六面體縮減積分單元。鋼管和FRP均為殼單元。鋼球與試件的接觸類型定義為通用接觸。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

2 數(shù)值模擬結果

2.1 沖擊極限承載力

假定在鋼管達到強度極限時試件退出工作，即以此作為試件的極限承載力。#20鋼管的強度極限值為504.45 MPa。通過逐漸增加沖擊質量的方法對鋼管混凝土及CFRP鋼管混凝土進行沖擊模擬，得出試件的極限承載力并進行了對比分析。沖擊模擬中沖擊速度均為7.668 m/s。表2為鋼管混凝土及CFRP鋼管混凝土在不同沖擊質量下的鋼管應力值。從表2中可以看出沖擊球質量為160 kg時素鋼管混凝土中的鋼管達到了強度極限值504.5 MPa，而此時環(huán)向和縱向包裹的CFRP試件中鋼管的應力值為498 MPa和491.1 MPa，尚未達到極限值;當沖擊球的質量為170 kg時環(huán)向和縱向包裹CFRP試件中鋼管的應力值分別為500.7 MPa和492.5 MPa，系統(tǒng)仍然能夠繼續(xù)工作;環(huán)向和縱向包裹CFRP試件分別在鋼球質量為180 kg和205 kg達到破壞強度。由此可見FRP使鋼管混凝土的極限承載力得到了顯著的提高，特別是FRP縱向包裹的增強效果更好。圖2為沖擊時的模擬變形圖。

圖2 整體變形圖Fig.2 Contour of deformation

2.2 FRP厚度的影響

為研究FRP厚度對沖擊性能的影響，模擬了CFRP縱向包裹、厚度分別為 0.111 mm、0.222 mm、0.333 mm、0.444 mm、0.555 mm、0.666 mm 時的沖擊過程。圖3、圖4分別為FRP鋼管混凝土的沖擊力(沖擊體與試件之間的表面碰撞力)和跨中撓度時程曲線，此時試件的鋼管厚度相同，均為3.5 mm，并且邊界條件和所受的沖擊球質量均相同。

圖3 CFRP厚度對沖擊力時程曲線的影響Fig.3 Influence of CFRP thickness on impact force

圖4 CFRP厚度對跨中撓度的影響Fig.4 Influence of CFRP thickness on mid-span deflection

圖5 CFRP種類對沖擊力時程曲線的影響Fig.5 Influence of CFRP kind on impact force

表2 不同沖擊質量下鋼管應力值(MPa)Tab.2 Stresses(MPa)under the different impact mass

從圖3中可以看出，F(xiàn)RP厚度不同時，沖擊力的峰值不同，隨著FRP厚度的增加，沖擊力的峰值明顯變大，而圖4顯示，試件撓度隨FRP厚度的增大而減小，說明當FRP厚度增加時，其對鋼管混凝土的約束效應明顯增強，因而構件的整體剛度得以提高。同時，F(xiàn)RP厚度改變時，沖擊力的作用時間也有所不同，從圖3可以看出，F(xiàn)RP的厚度越大，沖擊力的作用時間越短，符合沖量定理。

在研究FRP鋼管混凝土時，通常用“約束效應系數(shù)”來表示FRP和鋼管對核心混凝土的整體約束組合作用。其中FRP的約束效應系數(shù)ξf可以表示為［12］:

式中:Af是FRP截面面積，Ac是混凝土截面面積，ff是FRP的屈服強度，fc是混凝土軸心抗壓強度標準值。

模擬得出FRP厚度不同時，所對應的約束效應系數(shù)ξ和沖擊力峰值F的數(shù)值。沖擊力峰值和約束效應系數(shù)近似為線性關系，沖擊力峰值隨著約束效應系數(shù)的增加而增加，兩者的擬合關系式可表示為:

2.3 FRP種類的影響

對縱向包裹CFRP和GFRP在纖維厚度相同時的沖擊力和撓度時程曲線做了對比。模型中的沖擊質量均為120 kg，沖擊速度為7.668 m/s。圖5和圖6為纖維厚度分別是 0.111 mm、0.333 mm 和 0.666 mm 時CFRP和GFRP試件的沖擊力和撓度對比圖。

圖中實線表示CFRP鋼管混凝土，虛線為GFRP鋼管混凝土。由圖可見，纖維片厚度較小時(0.111 mm)，CFRP與GFRP包裹的試件沖擊力和跨中撓度均相差不大，而當纖維片厚度較大時(0.666)，CFRP試件的沖擊力峰值明顯高于GFRP試件，CFRP試件的跨中撓度也明顯小與GFRP試件。這是因為CFRP的彈性模量高于GFRP，厚度較大時，其對試件剛度的增強作用就更為明顯。

2.4 FRP包裹形式的影響

改變CFRP包裹形式，研究其對試件抗沖擊性能的影響。包裹形式分為縱向、環(huán)向兩種，CFRP厚度為0.222 mm和 0.444 mm，沖擊質量均為 120 kg，沖擊速度為7.668 m/s。沖擊力和跨中撓度時程曲線計算結果分別如圖7、8所示。

圖中數(shù)據(jù)表明，縱向包裹CFRP的試件沖擊力大于環(huán)向包裹，而位移小于環(huán)向包裹，說明對于抵抗側向沖擊荷載引起的位移，縱向包裹CFRP的效果更明顯。

圖6 CFRP種類對跨中撓度時程曲線的影響Fig.6 Influence of CFRP kind on mid-span deflection

圖7 CFRP包裹形式對沖擊力時程曲線的影響Fig.7 Influence of CFRP wrapping style on impact force

圖8 CFRP包裹形式對跨中撓度時程曲線的影響Fig.8 Influence of CFRP wrapping style on deflection

2.5 鋼管厚度的影響

鋼管壁厚分別為 1mm、2mm、3mm、4mm、5mm 和6mm，模型中的沖擊質量均為120 kg，沖擊速度為7.668 m/s。FRP鋼管混凝土的沖擊力時程曲線見圖9。六組曲線中鋼管壁厚為6mm的試件沖擊力時間最短，隨著壁厚的減小，沖擊作用時間也變長，其中最上面的曲線即6mm厚鋼管所受的沖擊力峰值達260 kN后經(jīng)過兩次較大震蕩后衰減到零值，3mm、1mm壁厚的試件沖擊力的峰值出現(xiàn)時間和整體作用時間延后，峰值分別達到180 kN、160 kN后經(jīng)過小幅的震蕩后衰減為零。由于鋼管壁厚的增加，對核心混凝土的約束效果更好，其整體剛度得到了顯著的提高。圖10為不同鋼管壁厚時跨中的撓度時程曲線。曲線由上到下依次對應的鋼管壁厚為6mm、5mm、4mm、3mm、2mm、1mm。可見隨著鋼管壁厚的增加撓度減小，如壁厚為1mm時撓度為26mm，壁厚為 6mm時，撓度為 11mm，撓度減小達57.7%。

2.6 沖擊質量的影響

改變沖擊鋼球的質量研究不同沖擊能量的影響。表3給出了不同工況下的試件沖擊力峰值和跨中撓度最大值。其中CFRP縱向包裹，厚度0.333 mm，鋼管厚度3.5 mm，沖擊速度為7.668 m/s。從表3可以看出沖擊能量對沖擊力和跨中撓度都有顯著的影響，能量越大，沖擊力和跨中撓度都隨之變大。圖11為沖擊能量與沖擊力峰值和跨中撓度的關系圖。跨中撓度與沖擊能量變化成線性關系。沖擊能量在達到4 000 J之前，沖擊能量增大時，沖擊力的增量較小，沖擊能量達到4 000 J時，隨著沖擊能量的逐漸加大，沖擊力有較大幅度的增加。

圖9 鋼管厚度對沖擊力時程曲線的影響Fig.9 Influence of steel thickness on impact force

圖10 鋼管厚度對跨中撓度時程曲線的影響Fig.10 Influence of steel thickness on deflection

圖11 沖擊能量對沖擊力峰值和跨中撓度的影響Fig.11 Influence of impact energy on peak force and mid-deflection

表3 沖擊能量對沖擊力和跨中撓度的影響Tab.3 Influence of impact energy on the peak force and deflection

3 實驗對比

為驗證本文模擬方法的正確，對素鋼管混凝土側向沖擊的實驗［13］進行了仿真模擬，側向沖擊實驗在DHR－9401落錘式?jīng)_擊試驗機上進行，設計機身高13.47 m，最大撞擊速率為15.7 m/s，落錘質量設為203 kg。試件長度為1 200 mm，試件的鋼管外徑為114 mm，內部核心混凝土立方體抗壓強度平均值為51.3 N/mm2(大致上相當于C50的混凝土)，鋼管壁厚為3.5 mm。實驗中觀察到不同約束條件下試件的破壞形式，記錄了沖擊力的時程曲線和試件的撓度等。

圖12 實驗沖擊力時程曲線Fig.12 Tested impact force history curve

圖13 模擬沖擊力時程曲線Fig.13 Simulated impact force history curve

表4 撓度和沖擊力峰值對比Tab.4 The comparison of deflection

取實驗中的落錘高度、重量、鋼管壁厚、實驗中得到的鋼管和混凝土的材料參數(shù)，進行有限元數(shù)值模擬。圖12和圖13分別為沖擊高度為8 m時實驗和模擬的沖擊力時程曲線圖，兩者的沖擊力峰值和整體變形趨勢均大致相同。表4為沖擊高度6 m、8 m和8.4 m時試件跨中撓度和沖擊力峰值的實驗值與模擬值。該數(shù)值模型所得到的模擬值與實驗值基本吻合，這說明該模型中材料的本構關系和參數(shù)的選取是可行的，可以利用它進行FRP鋼管混凝土在側向沖擊作用下的有限元分析。

4 結論

采用有限元法分析了FRP鋼管混凝土構件在側向沖擊荷載作用下的動態(tài)響應過程。針對FRP厚度、FRP種類、FRP包裹形式、鋼管厚度、沖擊力等不同因素對抗沖擊性能的影響，使用有限元軟件得到FRP鋼管混凝土的沖擊力、跨中撓度時程曲線等數(shù)據(jù)。通過以上研究，得到了如下結論:

(1)包裹FRP可以使鋼管混凝土構件的抗沖擊性能顯著提高。

(2)FRP的厚度對試件沖擊力峰值、沖擊力的用時間以及試件跨中撓度均有影響。隨著FRP厚度的增加，沖擊力增大而撓度減小。

(3)FRP的包裹形式與試件沖擊性能相關，縱向包裹FRP的試件撓度遠小于環(huán)向包裹。說明FRP縱向的包裹更有利于試件抵抗沖擊變形。

(4)鋼管厚度改變，試件沖擊力峰值和作用時間以及試件撓度均發(fā)生了改變。鋼管的厚度增加時，使FRP鋼管混凝土所受的沖擊力變大，撓度減小。

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